2024年9月11日，《科学进展》（Science Advances）杂志刊登了程海教授团队沙丽娟副教授等与同济大学翦知泯教授、党皓文教授等的合作研究论文《Triple Oxygen Isotope Reveals Insolation-Forced Tropical Moisture Cycles》。这项研究首次利用浮游有孔虫（G. ruber）的三氧同位素（δ¹⁷O，δ¹⁸O，Δ′¹⁷O）记录，揭示了过去21万年由太阳辐射驱动的热带海洋水汽循环的变化规律。

热带海洋是地球上主要的水汽和热量来源，在全球水汽和降水分布中起着至关重要的作用。水汽循环的时空特征、机制以及过程深刻影响着区域和全球气候系统的演变。然而，热带海洋的水汽循环，尤其是对长期太阳辐射强迫的响应，尚未得到充分研究，主要原因在于缺乏有效的直接记录大气水汽含量的指标。通过分析西太平洋暖池核心区域海洋沉积物中的浮游有孔虫三氧同位素，研究团队首次重建了热带海洋表层水汽含量和相对湿度的历史变化（图1），并探讨了过去21万年的海洋水汽循环过程。研究结果表明，有孔虫Δ′¹⁷O记录及重建的相对湿度和绝对湿度受到岁差周期（约2.3万年）的主导：当北半球夏季日照增强时，该区域湿度增加，说明更多的水汽汇聚于此。此外，西太平洋地区的水汽含量与北半球夏季日照变化高度一致，表明低纬度海洋的水汽循环主要受太阳辐射的控制（图1）。

图 1. 岁差主导的有孔虫Δ′¹⁷O和δ¹⁸O_sw-ive r记录的变化。

这一研究结果得到了模型模拟的验证（图2）。结合其他地质记录（如石笋和海洋浮游有孔虫δ¹⁸O记录），研究指出，西太平洋热带海洋区域增强的水汽汇聚显著加深了南北向和东西向的水循环，进而影响了东亚和南美北部的降雨模式。海洋有孔虫三氧同位素数据不仅为理解过去的亚洲夏季风和类似ENSO变化提供了深入见解，还强调了大气汇聚和海洋水汽对流在塑造热带海洋气候中的作用，揭示了跨太平洋水汽传输和气候响应的复杂性。这些发现证实，从西太平洋到东亚和南美的水汽动态主要受到岁差日照变化的影响。此项研究不仅加深了我们对低纬度海洋湿度动态的理解，也强调了太阳辐射在调控热带水循环中的核心作用，对理解全球气候系统中水汽和潜热传输的机制提供了重要信息。

图 2. 模型模拟和根据有孔虫三氧同位素记录重建了绝对湿度的变化。

这项研究利用了自2016年开始发展的三氧同位素测试技术，目前该技术处于世界领先水平。碳酸盐和水样的高精度三氧同位素技术的建立，不仅开辟了示踪环境变化的新领域，还为水文气候变化研究提供了新的方法和思路。实验平台的主要创建者及该研究的第一作者沙丽娟副教授，来自云南省小凉山地区宁蒗彝族自治县，她的学术成长历程展现了勤奋与毅力。她在高考中以优异成绩考入西安交通大学化学系，随后在程海教授团队中完成硕士和博士学位，并留校任教。她的工作不仅体现了在气候变化研究领域的学术卓越性，还彰显了新技术在解决全球关键问题中的重要性，同时也展示了来自少数民族背景的学者在科研中的重要贡献。

1955年，Cesare Emiliani首次将氧同位素（¹⁸O和¹⁶O）应用于海洋浮游有孔虫，革命性地推动了古海洋学的发展，使我们得以理解冰期-间冰期循环。70年后，研究团队将三氧同位素（¹⁸O、¹⁷O和¹⁶O）新技术应用于浮游有孔虫中，进一步加深了对低纬度气候变化的理解，揭示了低纬度地区水汽循环的独特节律。程海教授指出：“我们的研究突破了传统的古海洋学方法，首次应用三氧同位素技术，为理解低纬度地区的水汽循环提供了新视角。这一研究不仅拓宽了我们对地球过去气候变化的认识，也为预测未来气候变化提供了重要依据。”

该研究由中国国家自然科学基金（No. 41888101, 42103005, 42222603, 41976047, 42202218, 42003006）、瑞典研究理事会Vetenskapsrådet（No. 2022-03617）等资助；西安交通大学为第一作者单位和第一通讯单位。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adp7855